JP2006024465A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池において、ガスケットのＭＥＡへの接着性及び追従性を向上させ、ガス流路の気密性および冷却水流路の気密性を長期間にわたって良好にする。
【解決手段】 電解質膜と、電解質膜を挟んで配されるアノード側電極およびカソード側電極とを有する膜電極集合体５０１、ならびに、膜電極集合体５０１を挟持するセパレータを有する燃料電池において、セパレータが、アノード側電極に対向する面に燃料ガス流路が設けられた板状部材である燃料ガスプレート１０１と、カソード側電極に対向する面に酸化剤ガス流路が設けられた板状部材である酸化剤ガスプレート２０１とを備え、燃料ガスプレート１０１のアノード側電極に対向する面とは反対側の面と、酸化剤ガスプレート２０１のカソード側電極と対向する面とは反対側の面とがＯリング状ガスケット４０１を介して重ね合わされ、膜電極集合体が、シート状シール部材４０２を介してセパレータに挟持される。
【選択図】 図７

Description

本発明は、電解質膜の両面にアノード側電極とカソード側電極とを配したＭＥＡ（膜電極集合体）をセパレータで挟持した燃料電池に関するものである。

燃料電池の基本的な構造は、例えば、固体電解質膜の両側に電極機能を有するガス拡散層が形成されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極集合体）を、ガスなどが流通する流路が設けられたセパレータで挟んだ構造とされる。実用的にはＭＥＡとセパレータを交互に複数枚重ね合わせた燃料電池スタックが用いられる。

燃料電池は電気とともに熱を発生させるので、安定した発電を維持するためには、冷却水等の冷却媒体を用いてスタック内を冷却して、単位燃料電池セルを均一な温度分布とする必要がある。このために、燃料電池スタック内には冷却媒体が流れる流路が設けられる。このような燃料電池スタックの構造については、例えば特許文献１に開示される。
特開２００１−５２７２３号公報

ＭＥＡとセパレータとの間はガスケットによりシールされる。ＭＥＡを形成する固体高分子膜は、経時的に変形するので、ガスケットのＭＥＡへの接着性及び追従性が悪いと、ＭＥＡとセパレータとの間でガスリークが発生し電池性能低下の要因となる場合がある。

従来このガスケットにＯリング状ガスケットなどが用いられていたが、ガスケットのＭＥＡへの接着性及び追従性において、さらなる改善が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ガスケットのＭＥＡへの接着性及び追従性を向上させ、ガス流路の気密性および冷却水流路の気密性を長期間にわたって良好にすることができ、もって燃料電池性能の低下を防止することのできる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明により、電解質膜と、電解質膜を挟んで配されるアノード側電極およびカソード側電極とを有する膜電極集合体、ならびに、膜電極集合体を挟持するセパレータを有する燃料電池において、
該セパレータが、アノード側電極に対向する面に燃料ガス流路が設けられた板状部材である燃料ガスプレートと、カソード側電極に対向する面に酸化剤ガス流路が設けられた板状部材である酸化剤ガスプレートとを備え、
燃料ガスプレートのアノード側電極に対向する面とは反対側の面と、酸化剤ガスプレートのカソード側電極と対向する面とは反対側の面とがＯリング状ガスケットを介して重ね合わされ、
膜電極集合体が、シート状シール部材を介してセパレータに挟持される
ことを特徴とする燃料電池が提供される。

上記燃料電池において、前記シート状シール部材が、オレフィン樹脂、エチレンプロピレンゴム、フッ素樹脂またはフッ素ゴムからなることが好ましい。

上記燃料電池において、前記Ｏリング状ガスケットが、シリコーン樹脂またはシリコーンゴムからなることが好ましい。

上記燃料電池において、燃料ガス流路の入口が、燃料ガス流路の出口より鉛直上方にあり、
酸化剤ガス流路の入口が、酸化剤ガス流路の出口より鉛直上方にあり
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のそれぞれにおいて、鉛直上方に向かう部分の流路長がそれぞれのガス流路の全流路長の５０％未満である
ことが好ましい。

上記燃料電池において、前記燃料ガスプレートのアノード側電極に対向する面とは反対側の面および前記酸化剤ガスプレートのカソード側電極と対向する面とは反対側の面のうちの少なくとも一方に、冷却媒体流路が形成されることができる。

上記燃料電池において、前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが、互いに並行および／または対向して配され、かつ、
前記冷却媒体流路が、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に対して直交することが好ましい。

上記冷却媒体流路が形成された燃料電池において、燃料ガスプレートには燃料ガス流路の入口端および出口端にそれぞれ貫通孔が設けられて燃料ガス流路入口貫通孔および燃料ガス流路出口貫通孔とされ、
酸化剤ガスプレートには酸化剤ガス流路の入口端および出口端にそれぞれ貫通孔が設けられて酸化剤ガス流路入口貫通孔および酸化剤ガス流路出口貫通孔とされ、
これら貫通孔とは別に、燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートに、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に燃料ガスを給排させるための一対の連通孔が設けられて燃料ガス供給連通孔および燃料ガス排出連通孔とされ、かつ、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に酸化剤ガスを給排させるための一対の連通孔が設けられて酸化剤ガス供給連通孔および酸化剤ガス排出連通孔とされ、
燃料ガスプレートのアノード側電極に対向する面とは反対側の面に、燃料ガス流路入口貫通孔と燃料ガス供給連通孔とを連通させる流路および燃料ガス流路出口貫通孔と燃料ガス排出連通孔とを連通させる流路が形成され、
酸化剤ガスプレートのカソード側電極と対向する面とは反対側の面に、酸化剤ガス流路入口貫通孔と酸化剤ガス供給連通孔とを連通させる流路および酸化剤ガス流路出口貫通孔と酸化剤ガス排出連通孔とを連通させる流路が形成され、
燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートに、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に冷却媒体を給排させるための一対の連通孔が、冷却媒体流路の両端に設けられて冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔とされ
ることができる。

この燃料電池において、それぞれの貫通孔と、対応する連通孔とを連通させる流路の流路断面積が、
連通孔から貫通孔に向かう方向に、小さくなることが好ましい。

上記燃料電池において、セパレータが鉛直方向に沿って設けられることが好ましい。

この燃料電池において、前記冷却媒体供給連通孔の鉛直方向の最大寸法および冷却媒体排出連通孔の鉛直方向の最大寸法がいずれも、アノード側電極およびカソード側電極の鉛直方向の最大寸法の８０％以上であることが好ましい。

本発明によれば、ガスケットのＭＥＡへの接着性及び追従性を向上させ、ガス流路の気密性および冷却水流路の気密性を長期間にわたって良好にすることができ、もって燃料電池性能の低下を防止することのできる燃料電池スタックが提供される。

本発明では、セパレータとＭＥＡの間のシールに、シート状のシール部材を用いる。シート状シール部材の材料としては、ＭＥＡとの密着性が高く、ＭＥＡの経年変化への追従性が高い材料、例えば、オレフィン樹脂特には加熱硬化型オレフィン樹脂；エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）；フッ素樹脂もしくはフッ素ゴム；シリコーン樹脂もしくはシリコーンゴムを用いることができる。また、これらの材料には適宜炭化珪素粉末および／またはカーボンブラックが混合されていてもよい。これらの材料からなるシートに、電極を収容するための開口や、ガスを流通させるための孔などを適宜設け、シート状シール部材を得ることができる。

ＭＥＡへの接着性及び追従性に加えて、耐熱性、成型性、クリープ特性、ガスバリア性、耐酸性、耐酸化性などの物性、原料コストや加硫工程の処理温度などの経済性を勘案してシート状シール部材の材料を選定することが好ましい。シリコーン系シール部材は、耐熱性や成型性、クリープ特性に優れる。また、フッ素系シール部材は上述の物性において非常に優れる。ＥＰＤＭは比較的バランスの良い特性を示す。オレフィン樹脂系シールシール部材は、耐酸化性、ガスバリア性に優れている。シート状シール部材の使用環境への耐性の観点から、フッ素樹脂もしくはフッ素ゴム、ＥＰＤＭ、オレフィン樹脂特には加熱硬化型オレフィン樹脂が好ましい。また、シート状シール部材の厚さは、拡散層の厚さにもよるが、好ましくは、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下程度である。

本発明では、二枚の板状部材（燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレート）をＯリング状ガスケットを介して重ね合わせた構造を有するセパレータを用いる。燃料ガスプレートと酸化剤ガスプレートとの間のシールについては、ＭＥＡへの接着性及び追従性を考慮する必要がなく、Ｏリング状ガスケットは、取り扱いが容易で燃料電池を組み立てる際の作業性が良好になり、量産化に好適だからである。

Ｏリング状ガスケットに、上記シート状シール部材と同様の材料を用いることができるが、実用上、経済性の観点からシリコーン樹脂またはシリコーンゴムが好ましい。

また、シート状シール部材とＭＥＡの接着性を高めるために、シート状シール部材とＭＥＡとを接着剤を用いて接着することができる。接着剤としては、例えば、水溶系もしくは有機溶剤系のフッ素系樹脂ディスパージョンＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、または水溶系もしくは有機溶剤系のフッ素系樹脂ディスパージョンＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）等を用いることができる。接着性の観点から、これらの粒子固形物含有量を１０質量％以上５０質量％以下の範囲とすることが好ましい。あるいは、接着剤としてセルロース系材料を用いることもでき、例えば、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、または、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース等のセルロース類を、水または有機溶剤に溶解した溶液を用いることができる。溶液中のセルロース類の濃度は接着性の観点から２質量％以上２０質量％以下が好ましい。

以下図面を用いて本発明の燃料電池の一形態につき詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

セパレータは、燃料電池の運転に際して、生成水の排水容易性の観点から縦置きとされることが好ましい。つまり、セパレータは鉛直方向に沿って配されること、換言すれば、セパレータの厚さ方向は水平とされることが好ましい。さらに、燃料ガスおよび酸化剤ガス中に含まれることのある水の排出性の観点から、セパレータが縦置きにされた場合に、燃料ガスおよび酸化剤ガスはいずれもその上部からガス流路に供給し、下部から排出することが好ましい。このような配置に限られるものではないが、以下に示す例では、このような配置を採用している。なお、ここに示すのは固体高分子形燃料電池である。

図１および図２には燃料ガスプレート１０１のアノード側電極に対向する面（以下、電極に対向する面を電極対向面という。）とその反対側の面（以下、裏面という。）をそれぞれ示す。燃料ガスプレートの電極対向面には、燃料ガス流路１０２が設けられる。図３および図４には酸化剤ガスプレート２０１のカソード側電極に対向する面（電極対向面）とその反対側の面（裏面）をそれぞれ示す。酸化剤ガスプレートの電極対向面には、酸化剤ガス流路２０２が設けられる。これらガスプレートは、溝や孔を有する長方形（長辺が水平方向に沿う）の板状部材であり、縦横の寸法は互いに同じである。

燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが並行流および／または対向流となるように設けられる。電流密度分布をなるべく均一にするために、特に概ね対向流となるように設けられることが好ましい。図１および３に示した燃料ガス流路と酸化剤ガス流路は、いずれも、複数の溝が蛇腹状にそれぞれのガスプレートに配置されてなる。その個々の直線部においては燃料ガスと酸化剤ガスが同じ方向に流れる並行流となっているが、燃料ガス流路の入口は酸化剤ガス流路の出口に近い側に設けられ、酸化剤ガス流路の入口は燃料ガス流路の出口に近い側に設けられ、全体の流れとしては対向流となっている。燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、実質的に並行および／または対向していればよいが、上述のように、全体的な流れとして対向流となっていること（局所的にはガス流路が並行流となってもかまわない）が好ましい。

燃料ガスプレートと酸化剤ガスプレートは重ね合わされるが、このとき、両ガスプレートの裏面同士を向かい合わせる。かつ、両ガスプレートの間にシール部材として図５に示すＯリング状ガスケット４０１を挟んで両ガスプレートを重ね合わせる。両ガスプレートの裏面にはＯリング状ガスケットをはめるためのシール部材配置用溝１０３および２０３が設けられる。

燃料ガスプレートの裏面および酸化剤ガスプレートの裏面のうちの少なくとも一方に、冷却媒体流路が形成されるが、ここでは図４に示すように酸化剤ガスプレート２０１の裏面に冷却媒体流路３０１が設けられ、燃料ガスプレートの裏面には冷却媒体流路は設けられない。

冷却媒体流路は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に対して直交している。燃料ガスと酸化剤ガスとが並行流および／または対向流とされる燃料電池において、冷却媒体を燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向に対して直交流とすることが好ましい。冷却媒体の流れが、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れに対して並行流や対向流とされる場合に見られるような冷却媒体の流れ方向に沿う一次元の温度分布が抑制され、従って、セル内の温度分布の均一性を向上させることが可能となり、燃料電池の発電効率及び固体電解質膜の寿命を改善することができるからである。冷却媒体流路は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に対して実質的に直交していればよい。

冷却媒体としては純水、市水、エチレングリコール、オイル等、燃料電池の冷却媒体として公知の媒体を用いることができる。

燃料ガスプレートには燃料ガス流路の入口端および出口端にそれぞれ貫通孔が設けられて燃料ガス流路入口貫通孔１０４および燃料ガス流路出口貫通孔１０５とされる。酸化剤ガスプレートには酸化剤ガス流路の入口端および出口端にそれぞれ貫通孔が設けられて酸化剤ガス流路入口貫通孔２０４および酸化剤ガス流路出口貫通孔２０５とされる。

これら貫通孔とは別に、燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートに、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に燃料ガスを給排させるための一対の連通孔が設けられて燃料ガス供給連通孔３０４ａならびに燃料ガス排出連通孔３０５ａとされる。また、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に酸化剤ガスを給排させるための一対の連通孔が設けられて酸化剤ガス供給連通孔３０４ｂおよび酸化剤ガス排出連通孔３０５ｂとされる。燃料ガス供給連通孔および酸化剤ガス供給連通孔は、両ガスプレートの上部に設けられ、それぞれ燃料ガス流路入口貫通孔および酸化剤ガス流路入口貫通孔に近い位置に配される。燃料ガス排出連通孔および酸化剤ガス排出連通孔は、両ガスプレートの下部に設けられ、それぞれ燃料ガス流路出口貫通孔および酸化剤ガス流路出口貫通孔に近い位置に配される。これら連通孔は横（水平）方向に長い長尺形状、より具体的にはほぼ長方形とされる。燃料ガス供給連通孔および酸化剤ガス供給連通孔は、それぞれ燃料ガス排出連通孔および酸化剤ガス排出連通孔と対角の位置に設けられる。

燃料ガスプレートの裏面に、燃料ガス流路入口貫通孔１０４と燃料ガス供給連通孔３０４ａとを連通させる流路（燃料ガス入口側ガス受け渡し流路）１０６および燃料ガス流路出口貫通孔と燃料ガス排出連通孔とを連通させる流路（燃料ガス出口側ガス受け渡し流路）１０７が形成される。燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０４ａから燃料ガス入口側ガス受け渡し流路１０６を経て、燃料ガス流路入口貫通孔１０４から燃料ガス流路１０２に供給され、反応に関与した後、燃料ガス流路出口貫通孔１０５から燃料ガス出口側ガス受け渡し流路１０７を経て燃料ガス排出連通孔３０５ａに排出される。

酸化剤ガスプレートの裏面に、酸化剤ガス流路入口貫通孔２０４と酸化剤ガス供給連通孔３０４ｂとを連通させる流路（酸化剤ガス入口側ガス受け渡し流路）２０６および酸化剤ガス流路出口貫通孔２０５と酸化剤ガス排出連通孔３０５ｂとを連通させる流路（酸化剤ガス出口側ガス受け渡し流路）２０７が形成される。

上記ガス受け渡し流路の流路断面積は、連通孔から貫通孔に向かう方向に小さくなっていることが好ましい。ここでは、ガス受け渡し流路は、ガスプレートに設けられた複数の溝で形成され、溝の深さは一定とされ、溝の幅が連通孔から貫通孔に向かう方向に狭くなっている。燃料ガスおよび酸化剤ガスは水分を含むことが多いが、このような構成によって、これら湿ったガスが連通孔から貫通孔又は、貫通孔から連通孔に流れる際の圧力損失が徐々に発生し、液滴の通過等による圧力変動を緩和する効果がある。

燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートに、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に冷却媒体を給排させるための一対の連通孔が、冷却媒体流路の両端に設けられて冷却媒体供給連通孔３０２および冷却媒体排出連通孔３０３とされる。冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔は、両ガスプレートの側部に設けられ、冷却媒体が冷却媒体供給連通孔３０２、冷却媒体流路３０１、冷却媒体排出連通孔３０３の順に水平方向に流通する。このように、より酸化剤ガス入口貫通孔に近い側に冷却媒体供給連通孔３０２を配し、より燃料ガス入口貫通孔に近い側に冷却媒体排出連通孔３０２を配することが電極部の温度分布均一性の観点から好ましいが、冷却媒体の流れ方向はこれに限られるものではない。つまり、場合によっては、図において冷却媒体排出連通孔３０２として示される連通孔から冷却媒体流路３０１に冷却媒体を供給し、冷却媒体供給連通孔３０３として示される連通孔から冷却媒体を排出することもできる。冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔はいずれも鉛直方向に長い長尺形状、具体的にはほぼ長方形とされる。

燃料ガス流路の入口（燃料ガス流路入口貫通孔１０４）が燃料ガス流路の出口（燃料ガス流路出口貫通孔１０５）より鉛直上方にあり、酸化剤ガス流路の入口（酸化剤ガス流路入口貫通孔２０４）が、酸化剤ガス流路の出口（酸化剤ガス流路出口貫通孔２０５）より鉛直上方にあり、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のそれぞれにおいて、鉛直上方に向かう部分の流路長がそれぞれのガス流路の全流路長の５０％未満、具体的にはおおよそ４０％となっている。これによって、ガス流路での水の排出が促進され、優れた高効率の燃料電池を得ることが可能となる。

前記冷却媒体供給連通孔の鉛直方向の最大寸法および冷却媒体排出連通孔の鉛直方向の最大寸法が、いずれも、アノード側電極およびカソード側電極の鉛直方向の最大寸法の８０％以上であることにより、電極面積の大部分に対応する領域に冷却媒体流路を設けることが容易で、燃料電池全体の温度を均一に保つ上で効果的である。。ここでは実質的に長方形の電極（アノード側電極、カソード側電極とも同じ縦横寸法の長方形）を横置きにして（水平方向に長辺を沿わせて）使用する。そして、図１および図３に示されるように、冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔の幅（鉛直方向に沿う長辺）は、電極の短辺（鉛直方向に沿う辺）の約８５％とされている。

また、冷却媒体流路については、全流路断面積を大きくとり、流路長は短くし、冷却媒体の流量を大きくすることが、冷却媒体の温度変化を抑え、燃料電池の面内温度分布を抑える観点から好ましい。このため、冷却媒体流路は蛇腹状にせず、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路より多い本数の溝を直線状に設けている。

燃料ガスプレートと酸化剤ガスプレートとの間のシール部材にはＯリング状ガスケットを用いる。取り扱いが容易で燃料電池を組み立てる際の作業性に優れ、量産化に好適だからである。

燃料ガスプレートと酸化剤ガスプレートとの間のシール部材によって、燃料ガス供給連通孔３０４ａ、燃料ガス流路入口貫通孔１０４およびガス受け渡し流路１０６の周囲がシールされ、酸化剤ガス供給連通孔３０４ｂ、酸化剤ガス流路入口貫通孔２０４およびガス受け渡し流路２０６の周囲がシールされ、燃料ガス流路出口貫通孔１０５、燃料ガス排出連通孔３０５ａおよびガス受け渡し流路１０７の周囲がシールされ、酸化剤ガス流路出口貫通孔２０５、酸化剤ガス排出連通孔３０５ｂおよびガス受け渡し流路２０７の周囲がシールされ、冷却媒体供給連通孔３０２、冷却媒体排出連通孔３０３および冷却媒体流路３０１の周囲がシールされる。このように燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートがシール部材によってシールされて重ね合わされ、一体的にセパレータとして用いられる。

以下、図７および図８を用いて上述のセパレータを有する燃料電池について説明する。図７は燃料電池の積層構造を説明するための模式図であり、図８は、この積層構造を説明するための断面図である。

燃料電池スタックは、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持するセパレーターを備え、これらが複数組積層される。燃料電池スタックは、全体として直方体状を有しており、ここでは、短辺方向が鉛直方向に指向するとともに、長辺方向が水平方向に指向して配列される。

ＭＥＡ５０１は、固体高分子電解質膜５０２と、この電解質膜を挟んで配設されるアノード側電極５０３ａおよびカソード側電極５０３ｂとを有するとともに、アノード側電極およびカソード側電極にはそれぞれ、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるアノード側ガス拡散層５０４ａおよびカソード側ガス拡散層５０４ｂが配設される。ＭＥＡの外形はセパレータと同じとされる。

ＭＥＡの両側には、シール部材としてシート状シール部材４０２が設けられる。シート状シール部材は、図６に示すように、カソード側電極およびカソード側ガス拡散層を収納するための、あるいはアソード側電極およびアソード側ガス拡散層を収納するための開口部４０３を有し、また、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔に対応する孔を有する。

ＭＥＡおよびシート状シール部材が、セパレータによって挟持される（より具体的には、燃料ガスプレート１０１と酸化剤ガスプレート２０１とによって挟持される）。

ＭＥＡを形成する固体高分子膜は経時的に変形するので、シール部材のＭＥＡ変形への追従が悪いと、ＭＥＡとセパレータとの間でガスリークが発生し、電池性能低下の要因となる場合がある。このため、ＭＥＡとの密着性が高く、ＭＥＡの経年変化に追従性があるシート状シール部材を用いることにより、ガスリークを長期間防ぐことができる。

以上述べたように、セパレータとＭＥＡとの間に、ＭＥＡとの密着性が高く、ＭＥＡの経年変化にも追従性があるシート状のシール材を用いることにより、ガスリークを長期間防ぐことができる。また、セパレータを構成する燃料ガスプレートと酸化剤ガスプレートとのシールには、Ｏリング状ガスケットを用いることにより、積層する際の作業性を高めることができる。

燃料ガスプレート、酸化剤ガスプレートとも、燃料電池のセパレータとして公知の材料によって形成することができる。ＭＥＡは、燃料電池のＭＥＡとして公知の構成とすることができる。

燃料ガスプレートの一例につき、アノード側電極に対向する面を示す正面図である。 燃料ガスプレートの一例につき、アノード側電極に対向する面とは反対側の面を示す正面図である。 酸化剤ガスプレートの一例につき、カソード側電極に対向する面を示す正面図である。 酸化剤ガスプレートの一例につき、カソード側電極に対向する面とは反対側の面を示す正面図である。 Ｏリング状ガスケットの一例を示す正面図である。 シート上シール部材の一例を示す正面図である。 燃料電池の一例につき積層構造を説明するための模式図である。 燃料電池の一例につき積層構造を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１０１ 燃料ガスプレート
１０２ 燃料ガス流路
１０３ シール部材配置用溝
１０４ 燃料ガス流路入口貫通孔
１０５ 燃料ガス流路出口貫通孔
１０６ 燃料ガス入口側ガス受け渡し流路
１０７ 燃料ガス出口側ガス受け渡し流路
２０１ 酸化剤ガスプレート
２０２ 酸化剤ガス流路
２０３ シール部材配置用溝
２０４ 酸化剤ガス流路入口貫通孔
２０５ 酸化剤ガス流路出口貫通孔
２０６ 酸化剤ガス入口側ガス受け渡し流路
２０７ 酸化剤ガス出口側ガス受け渡し流路
３０１ 冷却媒体流路
３０２ 冷却媒体供給連通孔
３０３ 冷却媒体排出連通孔
３０４ａ 燃料ガス供給連通孔
３０５ａ 燃料ガス排出連通孔
３０４ｂ 酸化剤ガス供給連通孔
３０５ｂ 酸化剤ガス排出連通孔
４０１ Ｏリング状ガスケット
４０２ シート状シール部材
４０３ 開口
５０１ ＭＥＡ（膜電極集合体）
５０２ 固体高分子電解質膜
５０３ａ アノード側電極
５０３ｂ カソード側電極
５０４ａ アノード側ガス拡散層
５０４ｂ カソード側ガス拡散層

Claims (10)

1. 電解質膜と、電解質膜を挟んで配されるアノード側電極およびカソード側電極とを有する膜電極集合体、ならびに、膜電極集合体を挟持するセパレータを有する燃料電池において、
   該セパレータが、アノード側電極に対向する面に燃料ガス流路が設けられた板状部材である燃料ガスプレートと、カソード側電極に対向する面に酸化剤ガス流路が設けられた板状部材である酸化剤ガスプレートとを備え、
   燃料ガスプレートのアノード側電極に対向する面とは反対側の面と、酸化剤ガスプレートのカソード側電極と対向する面とは反対側の面とがＯリング状ガスケットを介して重ね合わされ、
   膜電極集合体が、シート状シール部材を介してセパレータに挟持される
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記シート状シール部材が、オレフィン樹脂、エチレンプロピレンゴム、フッ素樹脂またはフッ素ゴムからなる請求項１記載の燃料電池。
3. 前記Ｏリング状ガスケットが、シリコーン樹脂またはシリコーンゴムからなる請求項１または２記載の燃料電池。
4. 燃料ガス流路の入口が、燃料ガス流路の出口より鉛直上方にあり、
   酸化剤ガス流路の入口が、酸化剤ガス流路の出口より鉛直上方にあり
   燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のそれぞれにおいて、鉛直上方に向かう部分の流路長がそれぞれのガス流路の全流路長の５０％未満である
   請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池
5. 前記燃料ガスプレートのアノード側電極に対向する面とは反対側の面および前記酸化剤ガスプレートのカソード側電極と対向する面とは反対側の面のうちの少なくとも一方に、冷却媒体流路が形成された請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池。
6. 前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが、互いに並行および／または対向して配され、かつ、
   前記冷却媒体流路が、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に対して直交する請求項５記載の燃料電池。
7. 燃料ガスプレートには燃料ガス流路の入口端および出口端にそれぞれ貫通孔が設けられて燃料ガス流路入口貫通孔および燃料ガス流路出口貫通孔とされ、
   酸化剤ガスプレートには酸化剤ガス流路の入口端および出口端にそれぞれ貫通孔が設けられて酸化剤ガス流路入口貫通孔および酸化剤ガス流路出口貫通孔とされ、
   これら貫通孔とは別に、燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートに、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に燃料ガスを給排させるための一対の連通孔が設けられて燃料ガス供給連通孔および燃料ガス排出連通孔とされ、かつ、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に酸化剤ガスを給排させるための一対の連通孔が設けられて酸化剤ガス供給連通孔および酸化剤ガス排出連通孔とされ、
   燃料ガスプレートのアノード側電極に対向する面とは反対側の面に、燃料ガス流路入口貫通孔と燃料ガス供給連通孔とを連通させる流路および燃料ガス流路出口貫通孔と燃料ガス排出連通孔とを連通させる流路が形成され、
   酸化剤ガスプレートのカソード側電極と対向する面とは反対側の面に、酸化剤ガス流路入口貫通孔と酸化剤ガス供給連通孔とを連通させる流路および酸化剤ガス流路出口貫通孔と酸化剤ガス排出連通孔とを連通させる流路が形成され、
   燃料ガスプレートおよび酸化剤ガスプレートに、両ガスプレートを貫通して厚さ方向に冷却媒体を給排させるための一対の連通孔が、冷却媒体流路の両端に設けられて冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔とされ
   た請求項５または６記載の燃料電池。
8. それぞれの貫通孔と、対応する連通孔とを連通させる流路の流路断面積が、
   連通孔から貫通孔に向かう方向に、小さくなる請求項７記載の燃料電池。
9. セパレータが鉛直方向に沿って設けられた請求項７または８記載の燃料電池。
10. 前記冷却媒体供給連通孔の鉛直方向の最大寸法および冷却媒体排出連通孔の鉛直方向の最大寸法がいずれも、アノード側電極およびカソード側電極の鉛直方向の最大寸法の８０％以上である
    請求項９記載の燃料電池。

Images